專利名稱：采用彈片接觸的射頻微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電子電路技術(shù)和微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種采用彈片接觸的 射頻微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)及其制備方法。
背景技術(shù)：
射頻微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)是一種用于射頻領(lǐng)域的微型繼電器，采用微機(jī)電系統(tǒng)加工技 術(shù)制造。和傳統(tǒng)電磁繼電器相比，它的體積小、質(zhì)量輕；和固態(tài)電子開關(guān)相比，由于具有低功 耗、高線性度、高隔離度和低插入損耗等優(yōu)點(diǎn)，從而更接近于理想開關(guān)。在通訊及其它微波 系統(tǒng)中，它的應(yīng)用潛力巨大，尤其適用于衛(wèi)星開關(guān)網(wǎng)絡(luò)。由于在太空等惡劣環(huán)境中，輻射會(huì) 導(dǎo)致固態(tài)電子開關(guān)的介質(zhì)層損傷，從而使開關(guān)失效，而全金屬的射頻微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)由于 沒有介質(zhì)層，所以可以避免這一問題的發(fā)生；傳統(tǒng)電磁繼電器雖然也可以使用，但是其質(zhì)量 和體積是射頻微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)的上千甚至上萬倍，從而不具備良好的實(shí)用性。因此，如果可 以使用射頻微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)代替現(xiàn)有的電磁繼電器，可以大大降低的衛(wèi)星質(zhì)量，同時(shí)也節(jié) 省了衛(wèi)星的發(fā)射成本。靜電驅(qū)動(dòng)式射頻微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)以其體積小、無直流功耗、開關(guān)時(shí)間短等特點(diǎn)，尤 其適用于相控陣天線、開關(guān)網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用場合。其中，開關(guān)長期使用的可靠性和功率處理能 力是其能否產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的重要前提，而射頻微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)的可靠性與其處理功率關(guān)系密 切，隨著處理功率能量升高，可靠性會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的下降。對于接觸式射頻微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)而言，提高其處理功率能力和可靠性的關(guān)鍵在于 觸點(diǎn)。金是人們常用的接觸材料，在所有金屬中，它具有最低的電阻率，但是它的熔點(diǎn)和硬 度相對較低。人們從微觀的角度探討了開關(guān)觸點(diǎn)失效的原因，發(fā)現(xiàn)對于金-金接觸式開關(guān) 來說，處理大功率時(shí)，過高的電流密度產(chǎn)生微電弧，使觸點(diǎn)局部的材料轉(zhuǎn)移，觸點(diǎn)熔化，最終 導(dǎo)致開關(guān)失效。因此，人們研究了其它的觸點(diǎn)材料，例如高熔點(diǎn)貴金屬和合金等，但始終存 在改用其它貴金屬材料會(huì)使觸點(diǎn)的電阻增大的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)中的問題，改善靜電驅(qū)動(dòng)接觸式射頻微機(jī)電系統(tǒng)開 關(guān)的觸點(diǎn)性能，從而改善該開關(guān)的功率處理能力和可靠性。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種采用彈片接觸的射頻微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)，包括 錨區(qū)、懸臂梁及靜電驅(qū)動(dòng)電極，所述開關(guān)包括至少一套接觸裝置；所述接觸裝置包括彈片觸點(diǎn)、固定觸點(diǎn)以及用于增大所述彈性觸點(diǎn)與所述固定觸 點(diǎn)的接觸面積的凹點(diǎn)；所述彈片觸點(diǎn)位于所述固定觸點(diǎn)上方；所述凹點(diǎn)設(shè)置于所述彈片觸點(diǎn)上。所述開關(guān)采用全金屬材料制成；其中，所述彈片觸點(diǎn)、凹點(diǎn)以及固定觸點(diǎn)采用金、鉬族金屬、鉬金合金或金鎳合金制造。
所述開關(guān)還可以包括兩套、四套或八套所述接觸裝置；所述兩套、四套或八套接觸裝置均呈平行方向設(shè)置。此外，本發(fā)明還提供一種采用彈片接觸的射頻微機(jī)電系統(tǒng)的制備方法，包括如下 步驟步驟1 在玻璃襯底或高阻硅襯底上，刻蝕加工出不少于一套凹槽結(jié)構(gòu)；步驟2 在所述凹槽結(jié)構(gòu)上方淀積第一層犧牲層，在所述第一層犧牲層上刻蝕彈 片觸點(diǎn)凹槽；步驟3 在所述第一層犧牲層上方淀積第二層犧牲層，在所述第二層犧牲層前端 刻蝕錨區(qū)及輸入端窗口；在所述第二層犧牲層后端刻蝕輸出端窗口 ；步驟4 在所述第二層犧牲層后端制備彈片觸點(diǎn)結(jié)構(gòu)；步驟5 在所述第二層犧牲層前端電鍍金，形成錨區(qū)、輸入端及懸臂梁；步驟6 腐蝕所述第一層犧牲層及第二層犧牲層，釋放所述開關(guān)結(jié)構(gòu)。所述步驟1中，所述凹槽結(jié)構(gòu)的數(shù)量可為兩套、四套或八套。所述步驟1中，每套所述凹槽結(jié)構(gòu)包括位于所述玻璃襯底或高阻硅襯底中間位置 的第一凹槽、前端位置的第二凹槽以及后端位置的第三凹槽；所述步驟1具體包括如下步驟步驟1. 1 在所述玻璃襯底或高阻硅襯底中間位置刻蝕加工出第一凹槽；在所述第一凹槽內(nèi)填充硅化鉻或硅化鉭，形成靜電驅(qū)動(dòng)電極。步驟1. 2 在所述玻璃襯底或高阻硅襯底前端及后端位置刻蝕加工出第二及第三 凹槽；在所述第二凹槽內(nèi)填充金、鉬族金屬、鉬金合金或金鎳合金材料，形成錨區(qū)及輸入 端的基底部分；在所述第三凹槽內(nèi)填充金、鉬族金屬、鉬金合金或金鎳合金材料，形成固定觸點(diǎn)及 輸出端的基底部分。所述步驟1中，所述第一、第二及第三凹槽深度均為3000A。所述步驟2中，采用銅、鋁或鎳金屬淀積第一層犧牲層；所述步驟3中，采用銅、鋁或鎳金屬淀積第二層犧牲層。所述步驟4中，在所述第二層犧牲層后端剝離形成彈片觸點(diǎn)，同時(shí)在其中心采用 金、鉬族金屬、鉬金合金或金鎳合金材料刻蝕形成彈片凹點(diǎn)。本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中接觸式開關(guān)的觸點(diǎn)問題，采用金、鉬族金屬、鉬金合金或金 鎳合金制作觸點(diǎn)材料，在改進(jìn)觸點(diǎn)材料的基礎(chǔ)上，結(jié)合增大接觸面的的結(jié)構(gòu)，增大接觸力和 接觸面積，減小接觸電阻，進(jìn)而增大開關(guān)的功率處理能力并提高開關(guān)的可靠性。依照本發(fā)明 所提供的射頻開關(guān)，可以處理從直流到40GHz的信號(hào)；由于采用靜電驅(qū)動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)，具備低 功耗、體積小等特點(diǎn)；由于采用全金屬結(jié)構(gòu)，降低輻射對器件的影響，適用于衛(wèi)星等在太空 中使用的系統(tǒng)；采用金屬犧牲層表面微機(jī)械加工方法，可以與IC集成，加工方法簡單，易于 實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)。


圖1為本發(fā)明技術(shù)方案所提供的射頻微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)的正面示意圖；圖2為本發(fā)明技術(shù)方案所提供的射頻微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)的側(cè)面示意圖；圖3為本發(fā)明技術(shù)方案所提供的射頻微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)采用兩觸點(diǎn)結(jié)構(gòu)的示意圖；圖4為本發(fā)明技術(shù)方案所提供的射頻微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)采用四觸點(diǎn)結(jié)構(gòu)的的示意 圖；圖5為本發(fā)明技術(shù)方案所提供的射頻微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)采用八觸點(diǎn)結(jié)構(gòu)的的示意 圖；圖6-12為本發(fā)明技術(shù)方案所提供的射頻微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)的制備工藝流程示意 圖；其中，1 錨區(qū)；2 懸臂梁；3 彈片觸點(diǎn)；4 凹點(diǎn)；5 靜電驅(qū)動(dòng)電極；6 固定觸點(diǎn)；7 :輸入端；8 :輸出端；9 玻璃襯底或高阻硅襯底；10 輸出端基座部分；11 輸入端基座部分；12 第一犧牲層；13 彈性觸點(diǎn)凹槽；14 第二犧牲層；15 輸出端窗口 ； 16 輸入端窗口。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、內(nèi)容、和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案， 而不能以此來限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。實(shí)施例1本實(shí)施例具體描述本發(fā)明技術(shù)方案所提供的射頻微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)的結(jié)構(gòu)特征。如圖1及圖2所示，所述射頻微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)，包括錨區(qū)1、懸臂梁2、靜電驅(qū)動(dòng)電 極5，所述開關(guān)包括至少一套接觸裝置；所述接觸裝置包括彈片觸點(diǎn)3、固定觸點(diǎn)6以及凹點(diǎn)4 ；所述彈片觸點(diǎn)3位于所述固定觸點(diǎn)6上方；所述凹點(diǎn)4設(shè)置于所述彈片觸點(diǎn)3上。所述凹點(diǎn)4用于增大所述彈性觸點(diǎn)3與所述固定觸點(diǎn)6的接觸面積。所述開關(guān)采用全金屬材料制成；其中，所述彈片觸點(diǎn)3、凹點(diǎn)4以及固定觸點(diǎn)6采用金、鉬族金屬、鉬金合金或金鎳合金制造。實(shí)施例2本實(shí)施例具體描述本發(fā)明技術(shù)方案所提供的射頻微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)包括兩套接觸 裝置的結(jié)構(gòu)特征。如圖3所示，所述射頻微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)包括錨區(qū)1、懸臂梁2、靜電驅(qū)動(dòng)電極5及兩 套接觸裝置；所述每套接觸裝置與前述實(shí)施例1中描述的接觸裝置相同；所述兩套接觸裝 置呈平行方向設(shè)置。實(shí)施例3
本實(shí)施例具體描述本發(fā)明技術(shù)方案所提供的射頻微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)包括四套接觸 裝置的結(jié)構(gòu)特征。如圖4所示，所述射頻微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)包括錨區(qū)1、懸臂梁2、靜電驅(qū)動(dòng)電極5及四 套接觸裝置；所述每套接觸裝置與前述實(shí)施例1中描述的接觸裝置相同；所述四套接觸裝 置呈平行方向設(shè)置。實(shí)施例4本實(shí)施例具體描述本發(fā)明技術(shù)方案所提供的射頻微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)包括八套接觸 裝置的結(jié)構(gòu)特征。如圖5所示，所述射頻微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)包括錨區(qū)1、懸臂梁2、靜電驅(qū)動(dòng)電極5及八 套接觸裝置；所述每套接觸裝置與前述實(shí)施例1中描述的接觸裝置相同；所述八套接觸裝 置呈平行方向設(shè)置。綜合上述實(shí)施例1-4，射頻信號(hào)從信號(hào)輸入端7輸入，從信號(hào)輸出端8輸出。當(dāng)在 靜電驅(qū)動(dòng)電極5上施加通常為30-150V的驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，懸臂梁2被靜電吸引，使得彈片觸點(diǎn) 3與固定觸點(diǎn)6接觸，開關(guān)閉合，射頻信號(hào)從輸入端7傳輸?shù)捷敵龆?。由于采用彈片觸點(diǎn)， 觸點(diǎn)產(chǎn)生彈性形變增加了接觸力，同時(shí)增大了接觸面積，由點(diǎn)接觸變成凹點(diǎn)的整個(gè)面接觸； 而且由于采取兩套、四套或八套接觸裝置，使得彈性觸點(diǎn)3與所述固定觸點(diǎn)6的接觸面積得 到進(jìn)一步加大，進(jìn)一步增大開關(guān)處理功率的能力。同理，采用三套、五套、六套或七套，或更 多套數(shù)的接觸裝置的方案也可視為本發(fā)明技術(shù)方案所提供的手段。實(shí)施例5本實(shí)施例具體描述本發(fā)明技術(shù)方案所提供的射頻微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)的制備方法。所述方法包括如下步驟步驟1 在玻璃襯底或高阻硅襯底9上，刻蝕加工出不少于一套凹槽結(jié)構(gòu)；如圖1及圖3-5所示所述凹槽結(jié)構(gòu)的數(shù)量可為兩套、四套或八套。所述凹槽結(jié)構(gòu)包括位于所述玻璃襯底或高阻硅襯底中間位置的第一凹槽、前端位 置的第二凹槽以及后端位置的第三凹槽；所述步驟1具體包括如下步驟步驟1. 1 如圖6所示，在所述玻璃襯底或高阻硅襯底9中間位置刻蝕加工出第一 凹槽；在所述第一凹槽內(nèi)填充硅化鉻或硅化鉭，形成靜電驅(qū)動(dòng)電極5。步驟1. 2 如圖7所示，在所述玻璃襯底或高阻硅襯底9前端及后端位置刻蝕加工
出第二及第三凹槽；在所述第二凹槽內(nèi)填充金、鉬族金屬、鉬金合金或金鎳合金材料，形成錨區(qū)及輸入 端的基底部分11 ；在所述第三凹槽內(nèi)填充金、鉬族金屬、鉬金合金或金鎳合金材料，形成固定觸點(diǎn)6 及輸出端的基底部分10。所述第一、第二及第三凹槽深度均為3000A。步驟2 如圖8所示，在所述三個(gè)凹槽上方采用銅、鋁或鎳金屬淀積淀積第一層犧 牲層12，在所述第一層犧牲層上刻蝕彈片觸點(diǎn)凹槽13 ；步驟3 如圖9所示，在所述第一層犧牲層12上方采用銅、鋁或鎳金屬淀積淀積第二層犧牲層14，在所述第二層犧牲層14前端刻蝕錨區(qū)及輸入端窗口 16 ；在所述第二層犧牲層14后端刻蝕輸出端窗口 15 ；步驟4 如圖10所示，在所述第二層犧牲層14后端制備彈片觸點(diǎn)結(jié)構(gòu)，具體表述 為在所述第二層犧牲層14后端剝離形成彈片觸點(diǎn)3，同時(shí)在其中心采用金、鉬族金屬、鉬 金合金或金鎳合金材料刻蝕形成彈片凹點(diǎn)4 ；步驟5 如圖11所示，在所述第二層犧牲層14前端電鍍金，形成錨區(qū)1、輸入端7 及懸臂梁2 ；步驟6 腐蝕所述第一層犧牲層12及第二層犧牲層14，釋放所述開關(guān)結(jié)構(gòu)。綜上所述，本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中接觸式開關(guān)的觸點(diǎn)問題，采用金、鉬族金屬、鉬 金合金或金鎳合金制作觸點(diǎn)材料，在改進(jìn)觸點(diǎn)材料的基礎(chǔ)上，結(jié)合增大接觸面的的結(jié)構(gòu)，增 大接觸力和接觸面積，減小接觸電阻，進(jìn)而增大開關(guān)的功率處理能力并提高開關(guān)的可靠性。 依照本發(fā)明所提供的射頻開關(guān)，可以處理從直流到40GHz的信號(hào)；由于采用靜電驅(qū)動(dòng)方式 驅(qū)動(dòng)，具備低功耗、體積小等特點(diǎn)；由于采用全金屬結(jié)構(gòu)，降低輻射對器件的影響，適用于衛(wèi) 星等在太空中使用的系統(tǒng)；采用金屬犧牲層表面微機(jī)械加工方法，可以與IC集成，加工方 法簡單，易于實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變形，這些改進(jìn)和變形 也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
8
權(quán)利要求
1.一種采用彈片接觸的射頻微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)，包括錨區(qū)、懸臂梁及靜電驅(qū)動(dòng)電極，其特 征在于，所述開關(guān)包括至少一套接觸裝置；所述接觸裝置包括彈片觸點(diǎn)、固定觸點(diǎn)以及用于增大所述彈性觸點(diǎn)與所述固定觸點(diǎn)的 接觸面積的凹點(diǎn)；所述彈片觸點(diǎn)位于所述固定觸點(diǎn)上方； 所述凹點(diǎn)設(shè)置于所述彈片觸點(diǎn)上。
2.如權(quán)利要求1所述的射頻微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)，其特征在于，所述開關(guān)采用全金屬材料 制成；其中，所述彈片觸點(diǎn)、凹點(diǎn)以及固定觸點(diǎn)采用金、鉬族金屬、鉬金合金或金鎳合金制造。
3.如權(quán)利要求1或2中所述的射頻微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)，其特征在于，所述開關(guān)包括兩套、 四套或八套所述接觸裝置；
4.如權(quán)利要求3所述的射頻微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)，其特征在于，所述兩套、四套或八套接觸 裝置均呈平行方向設(shè)置。
5.一種采用彈片接觸的射頻微機(jī)電系統(tǒng)的制備方法，其特征在于，所述方法包括如下 步驟步驟1 在玻璃襯底或高阻硅襯底上，刻蝕加工出不少于一套凹槽結(jié)構(gòu)； 步驟2 在所述凹槽結(jié)構(gòu)上方淀積第一層犧牲層，在所述第一層犧牲層上刻蝕彈片觸 點(diǎn)凹槽；步驟3 在所述第一層犧牲層上方淀積第二層犧牲層，在所述第二層犧牲層前端刻蝕 錨區(qū)及輸入端窗口；在所述第二層犧牲層后端刻蝕輸出端窗口；步驟4 在所述第二層犧牲層后端制備彈片觸點(diǎn)結(jié)構(gòu)；步驟5 在所述第二層犧牲層前端電鍍金，形成錨區(qū)、輸入端及懸臂梁；步驟6 腐蝕所述第一層犧牲層及第二層犧牲層，釋放所述開關(guān)結(jié)構(gòu)。
6.如權(quán)利要求5所述的射頻微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)的制備方法，其特征在于，所述步驟1中， 所述凹槽結(jié)構(gòu)的數(shù)量可為兩套、四套或八套。
7.如權(quán)利要求5所述的射頻微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)的制備方法，其特征在于，所述步驟1中， 每套所述凹槽結(jié)構(gòu)包括位于所述玻璃襯底或高阻硅襯底中間位置的第一凹槽、前端位置的 第二凹槽以及后端位置的第三凹槽；所述步驟1具體包括如下步驟步驟1.1 在所述玻璃襯底或高阻硅襯底中間位置刻蝕加工出第一凹槽；在所述第一凹槽內(nèi)填充硅化鉻或硅化鉭，形成靜電驅(qū)動(dòng)電極。步驟1. 2 在所述玻璃襯底或高阻硅襯底前端及后端位置刻蝕加工出第二及第三凹槽；在所述第二凹槽內(nèi)填充金、鉬族金屬、鉬金合金或金鎳合金材料，形成錨區(qū)及輸入端的 基底部分；在所述第三凹槽內(nèi)填充金、鉬族金屬、鉬金合金或金鎳合金材料，形成固定觸點(diǎn)及輸出 端的基底部分。
8.如權(quán)利要求5所述的射頻微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)的制備方法，其特征在于，所述步驟1中，所述第一、第二及第三凹槽深度均為3000A。
9.如權(quán)利要求5所述的射頻微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)的制備方法，其特征在于，所述步驟2中， 采用銅、鋁或鎳金屬淀積第一層犧牲層；所述步驟3中，采用銅、鋁或鎳金屬淀積第二層犧牲層。
10.如權(quán)利要求5所述的射頻微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)的制備方法，其特征在于，所述步驟4中， 在所述第二層犧牲層后端剝離形成彈片觸點(diǎn)，同時(shí)在其中心采用金、鉬族金屬、鉬金合金或 金鎳合金材料刻蝕形成彈片凹點(diǎn)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種采用彈片接觸的射頻微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)及其制備方法，屬于電子電路技術(shù)和微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明目的在于改善靜電驅(qū)動(dòng)接觸式射頻微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)的功率處理能力和可靠性。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種射頻微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)，包括錨區(qū)、懸臂梁、靜電驅(qū)動(dòng)電極，所述開關(guān)包括至少一套接觸裝置；所述接觸裝置包括彈片觸點(diǎn)、固定觸點(diǎn)以及凹點(diǎn)；所述彈片觸點(diǎn)位于所述固定觸點(diǎn)上方；所述凹點(diǎn)設(shè)置于所述彈片觸點(diǎn)上。依照本發(fā)明所提供的射頻開關(guān)，在改進(jìn)觸點(diǎn)材料的基礎(chǔ)上，結(jié)合增大接觸面的結(jié)構(gòu)，增大接觸力和接觸面積，減小接觸電阻，進(jìn)而增大開關(guān)的功率處理能力并提高開關(guān)的可靠性。
文檔編號(hào)H01H59/00GK102117946SQ20091024444
公開日2011年7月6日 申請日期2009年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月31日
發(fā)明者劉博 , 李志宏 申請人:北京大學(xué)